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  個(gè)性化按需診斷和治療的新興領(lǐng)域要求相應(yīng)電子系統(tǒng)具有生物相容性，機(jī)械可變形性和自我維持性。通過(guò)可持續(xù)途徑有效轉(zhuǎn)化微弱的環(huán)境能量為支持相關(guān)應(yīng)用中的電子設(shè)備和傳感器的運(yùn)行提供了可行的供電方案。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）依靠摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的協(xié)同作用，可以有效地收集機(jī)械能，為電子設(shè)備和傳感器供電。由生物相容性材料制成的有效摩擦電裝置的探索已引起人們?cè)絹?lái)越多的興趣。

  聚乙烯醇（PVA）具有水溶性和生物相容性，是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用最廣泛的聚合物之一。純PVA由于其親水性，生物降解性和生物相容性，最近已被用作TENG中的接觸層。然而，純PVA具有相對(duì)有限的功能和較高的加工成本。同時(shí)，最近的報(bào)道結(jié)果表明，添加少量分子（包括淀粉，殼聚糖等）可以對(duì)所形成的PVA共混物的機(jī)械性能和生物降解性進(jìn)行多方面的調(diào)節(jié)，從而改善性能并顯著降低成本。然而，關(guān)于PVA共混物的分子/離子工程對(duì)其摩擦電性能影響的基本理解尚待揭示。此類知識(shí)的欠缺阻礙了采用生物相容性材料構(gòu)造的功能更強(qiáng)大的摩擦電裝置的合理設(shè)計(jì)和整體工程。

  美國(guó)普渡大學(xué)武文倬教授和阿克倫大學(xué)朱家華教授團(tuán)隊(duì)對(duì)通過(guò)系統(tǒng)的材料工程和PVA共混物不同結(jié)構(gòu)水平的表征，深入理解了分子/離子填料對(duì)PVA共混物的摩擦電性能的影響。選擇三種易獲得的填充劑，即明膠，鹽酸（HCl）/氫氧化鈉（NaOH）和氯化鉀（KCl）/氯化鈉（NaCl），分別研究分子，pH值和離子等因素的影響。更重要的是，它們豐富的官能團(tuán)/離子可以與PVA分子形成氫鍵或絡(luò)合，從而誘發(fā)界面極化和離子極化。因此通過(guò)增強(qiáng)或調(diào)控PVA共混物中極化基團(tuán)的遷移，設(shè)計(jì)與TENG輸出直接相關(guān)的介電常數(shù)。使用具有價(jià)格低的，易于使用的填料進(jìn)行分子/離子工程的已證明策略可調(diào)節(jié)PVA材料的能量收集性能。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PVA-明膠共混材料顯示出穩(wěn)定而強(qiáng)勁的電子輸出性能，以及對(duì)諸如人脈搏之類的機(jī)械變形的低檢測(cè)極限。憑借靈活性和生物相容性等優(yōu)勢(shì)，基于PVA混合物的摩擦發(fā)電設(shè)備顯示出具有成本效益的人體健康監(jiān)測(cè)潛力，并為設(shè)計(jì)未來(lái)的生物相容性TENG提供了新的策略。

圖1：透明的PVA-明膠薄膜；PVA-明膠制備的TENG器件測(cè)量人體脈搏的30 s實(shí)時(shí)電流輸出，以及其中一個(gè)周期的放大展示。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials (Advanced Materials. 2020, 202002878)上。論文的共同第一作者為普渡大學(xué)博士生王若星和阿克倫大學(xué)穆立文博士，共同通訊作者為普渡大學(xué)武文倬教授和阿克倫大學(xué)朱家華教授。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002878